V času različnih »omik« je prehranska znanost predstavila dva pojma, ki povezujeta prehrano in genetiko: nutrigenetiko in nutrigenomiko. To sta vedi, ki preučujeta interakcije med hranili in geni, vendar za razrešitev mehanizmov, kako hranila vplivajo na razvoj bolezni, uporabljata različne pristope (Frank in sod., 2006). Nutrigenetika teţi k razumevanju tega, kako genetski profil posameznika koordinira odziv na prehrano.
Teţi k identifikaciji in karakterizaciji genskih variant povezanih z različnimi odzivi na hranila in kako jih povezati z bolezenskimi stanji. V nasprotju s karakteristikami nutrigenetike, nutrigenomika s pomočjo orodij funkcionalne genomike preučuje vpliv posameznih hranil na transkriptom, proteom in metabolom celic, tkiv ali celotnega organizma. Poleg tega se ukvarja z identifikacijo genov, ki vplivajo na razvoj s prehrano povezanih bolezni. V prehranske raziskave vnaša nove pristope in preko visoko tehnoloških eksperimentalnih procesov odkriva odziv posameznika na sestavine hrane, pri tem pa uporablja tehnologije genomike, proteomike, transkriptomike in metabolomike (Raqib in Cravioto, 2009).
Transkriptomika je po navadi prva v vrsti različnim »omik«, ki se uporabljajo za preučevanje vpliva prehrane na genom. S pomočjo transkriptomike dobimo informacije o tem, kateri geni in na kakšnem nivoju so izraţeni. Preliminarne analize s pomočjo tehnologije mikromreţ nam omogočajo tudi izbiro drugih tehnologij, ki bi bile primerne za preučevanje izbranega problema (McGettigan, 2013). Veliko esencialnih hranil in bioaktivnih komponent hrane (funkcionalna hrana) sluţi kot pomemben regulator izraţanja genov s tem, ko spreminjajo transkripcijo in translacijo genov in s tem vplivajo na metabolizem, celično rast in diferenciacijo. Ti procesi so pomembni pri razvoju različnih bolezni. Tehnologija DNA mikromreţ omogoča simultano oceno transkripcije tisočih genov in njihovo relativno izraţanje pred in po izpostavi različnim
22
hranilom (Raqib in Cravioto, 2009). Omogoča simultano analizo izraţanja velikega števila genov in s tem nadgrajuje tradicionalne metode, ki se uporabljajo za preučevanje izraţanja genov (RT-qPCR, prenos northern) (Spielbauer in Stahl, 2005). Trenutno je to najmočnejše orodje transkriptomike, saj omogoča meritve na vseh transkriptih in njihovih variantah (alternativno izrezovanje) genoma določene vrste.
Proteomika je veda, ki preučuje značilnosti proteinov (na nivoju izraţanja, post-translacijske modifikacije, interakcije), z namenom poznavanja mehanizmov različnih bolezni, celičnih procesov in povezav med njimi na nivoju proteinov (Blackstock in Weir, 1999). Metabolomika preučuje globalni presnovni profil sistema, od celic, tkiv do celotnega organizma pod vplivom delovanja preučevanih dejavnikov. Preučevanje metaboloma je izjemno zahtevno zaradi raznolikosti kemijske narave presnovkov. Ti so rezultat interakcije med genomom sistema in okoljem ter niso zgolj končni produkti izraţanja genov (Rochfort, 2005).
2.4.2 Nutrigenomika v kmetijstvu
Nutrigenomika postaja pomemben pripomoček tudi v kmetijskih vedah. Z moţnostjo napovedovanja odziva ţivali na prehranske intervencije bi kot pomemben pripomoček v ţivinoreji lahko doprinesla k zmanjšanju proizvodnih stroškov in povečevanju presnovne učinkovitosti, pripomogla k boljši rasti in plodnosti, preprečevanju bolezni in optimiziranju koristnih sestavin v mesu in mleku. Preko študij, ki preučujejo izraţanje genov in preko profiliranja izraţanja genov na nivoju mRNA ali proteinov nutrigenomika omogoča vpogled v mehanizme, ki vodijo fiziološke funkcije in v njihovo regulacijo pri domačih ţivalih (Cassar-Malek in sod., 2008).
23
Slika 7: Primer uporabe orodij nutrigenomike v prehranski industriji z namenom povečevanja ekonomskih koristi in izboljševanja prehrane in zdravja ljudi (Brown in van der Ouderaa, 2007) Figure 7: An example of the use of nutrigenomic tools in the food industry for economic benefits and to
improve human nutrition and health (Brown and van der Ouderaa, 2007)
2.4.3 Vpliv vitamina E na transkripcijo genov
Pomembno vlogo pri regulaciji transkripcije genov imajo antioksidanti. Delujejo lahko kot signalne molekule in vplivajo na pomembne korake, ki so vpleteni v izraţanje genov. S spreminjanjem aktivnosti transkripcijskih faktorjev lahko opazno spremenijo mRNA in koncentracije proteinov. Na izraţanje genov lahko vplivajo preko vezave na celične receptorje in s spreminjanjem delovanja ključnih encimov, kot so fosfataze in kinaze (Frank in sod., 2006).
Tokoferoli vplivajo na regulacijo velikega števila genov, delno preko regulacije encimov protein kinaza C in fosfatidolinozitol 3-kinaza, delno pa neodvisno od njunega delovanja. Gene, na katere vplivajo tokoferoli, lahko razdelimo v pet skupin. V prvi so geni, ki so vpleteni v prevzem in degradacijo tokoferolov, v drugi geni, ki so povezani s prevzemom maščob in aterosklerozo, v tretji geni vpleteni v modulacijo ekstracelularnih proteinov, v četrti geni, ki so vpleteni v adhezijo in vnetja, v peti geni, ki vplivajo na celično signalizacijo in regulacijo celičnega cikla (Azzi in sod., 2004). Vitamin E je vpleten v spremembe pri izraţanju genov, ki kodirajo molekule vpletene v antioksidativno delovanje, na primer glutationa (Barella in sod., 2004), vpliva na povišano izraţanje CYP (Sontag in Parker, 2002), na zniţano izraţanje gena za odstranjevalni receptor CD36 (Ricciarelli in sod., 2000) in odstranjevalni receptor A (angl. scavenger receptor A), s čimer pripomore k uničenju oksidiranih lipoproteinov s
24
pomočjo makrofagov (Teupser in sod., 1999). Poleg tega vitamin E zniţuje m-RNA jetrnega kolagena (Chojkier in sod., 1998), vpliva na zniţano izraţanje genov, ki so vpleteni v ključne korake biosinteze holesterola (Valastyan in sod., 2008) in tistih, ki kodirajo molekule vpletene v celične cikle (De Pascale in sod., 2006). Poleg tega vpliva na izraţanje genov, ki so povezani z vnetnimi procesi (Yoshikawa in sod., 1998). Rota in sod. (2005) so pri preučevanju vloge vitamina E v hipokampusu pri podganah ugotovili vpliv α-tokoferola na transkripcijo genov, ki omogočajo odstranjevanje amiloida beta in s tem sklepali na funkcijo vitamina E pri preprečevanju razvoja Alzheimerjeve bolezni. O zniţano izraţenem genu za GCS in s tem na antioksidativno obrambo pri pomanjkanju vitamina E poročajo Fischer in sod. (2001). Podobne rezultate so dobili tudi Rimbach in sod. (2004), ki so preučevali izraţanje genov na mRNA nivoju v jetrih podgan, ki so bile dalj časa izpostavljene pomanjkanju tega vitamina.
Večina raziskav se tudi na tem področju osredotoča na α-tokoferol, študije ki so preučevale vpliv γ-tokoferola, so bile večinoma izvedene na celičnih linijah, ki sluţijo za preučevanje rakavih obolenj. γ-Tokoferol je na primer vplival na povišano izraţanje PPARγ v celičnih linijah raka kolona bolj kot α-tokoferol (Campbell in sod., 2006). V ovčji maternici sta obe obliki tokoferolov podobno vplivali na izraţanje gena za PPARγ (Kasimanickam R. K. in Kasimanickam V. R., 2011).
25
3 MATERIAL IN METODE